The behaviour of helium in metals is particularly significant in fusion research due to the He-induced degradation of materials. A small amount of impurities introduced either by intentional alloying or by transmutation reactions, will interact with He and lead the microstructure and mechanical properties of materials to change. In this paper, we present the results of first-principles calculations on the interactions of He with impurities and He diffusion around them in tungsten (W), including the interstitials Be, C, N, O, and substitutional solutes Re, Ta, Tc, Nb, V, Os, Ti, Si, Zr, Y and Sc. We find that the trapping radii of interstitial atoms on He are much larger than those of substitutional solutes. The binding energies between the substitutional impurities and He increase linearly with the relative charge densities at the He occupation site, indicating that He atoms easily aggregate at the low charge density site. The sequence of diffusion energy barriers of He around the possible alloying elements is Ti > V > Os > Ta > Re. The present results suggest that Ta might be chosen as a relatively suitable alloying element compared with other possible ones.
金属中のヘリウムの挙動は、He誘起による材料の劣化のため、核融合研究において特に重要である。意図的な合金化または核変換反応のいずれかによって導入された少量の不純物は、Heと相互作用し、材料の微細組織および機械的特性を変化させる。本論文では、タングステン（W）中のHeと不純物との相互作用およびそれらの周囲でのHe拡散に関する第一原理計算の結果を示す。対象には、格子間原子であるBe、C、N、O、および置換型溶質であるRe、Ta、Tc、Nb、V、Os、Ti、Si、Zr、Y、Scが含まれる。格子間原子のHeに対する捕獲半径は、置換型溶質のそれよりもはるかに大きいことがわかった。置換型不純物とHeとの間の結合エネルギーは、He占有サイトにおける相対電荷密度とともに線形的に増加し、He原子が低電荷密度サイトに容易に凝集することを示している。可能性のある合金元素の周囲でのHeの拡散エネルギー障壁の順序は、Ti > V > Os > Ta > Reである。本研究の結果は、Taが他の可能性のある元素と比較して比較的適切な合金元素として選択され得ることを示唆している。